专利名称：一种高压低温气体截止阀的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高压气动元件，特别是一种气动、手动两用高压低温气体截 止阀。
背景技术：
随着低温技术的进步，具有无毒、无污染等特点的低温液体(液氢、液氧)在航天 领域得到日益广泛的应用，例如用作运载火箭推进剂。火箭发动机要求箭体很短时间内提 供一定压力、一定温度、一定纯度的推进剂，箭体必须设推进剂增压系统。氦气具有化学性 质稳定、标准沸点低(4K)、不污染推进剂等特点，常被用作增压气体。出于减小箭体起飞重 量且保证飞行必须数量推进剂的考虑，必须将氦气冷却至低温后用于推进剂增压系统即冷 氦增压。箭体要求地面在火箭起飞前根据需要为其冷氦增压系统提供高压(23MPa)、低温 (80K)氦气，并在为提供箭体低温高压氦气后，与箭体冷氦增压系统实现可靠隔离，以保证 箭体冷氦增压系统的正常工作，根据地面设备工作流程，截止阀需要在常温、低温两种条件 下均能气动、手动两用，并保证良好的密封性能(内漏、外漏漏率在规定范围内)。内漏是指 阀门主活门关闭时工作介质从入口通过主密封副泄漏到出口的现象。外漏是指工作介质通 过阀门泄漏到周围环境的现象。国外Velan公司拥有用于LNG的零泄漏填料密封阀门产品，国内核工业和火电领 域中有用于常温高压气体的填料密封阀门，用于高压低温气体(尤其是氦气)的还没有性 能比较好的成熟产品。专利号为“ZL200720311398.6”，名称为“高压超低温手动截止阀” 的中国实用新型专利，及专利号为“ZL200620136348. 4”，名称为“高压超低温气动截止阀” 的中国实用新型专利，只能通过气动或手动单一控制的方式实现操作，使用受到一定的限 制；专利号为“ZL200420027444. 6”，名称为“低温截止阀”的中国实用新型专利，专利号为 “200520106351. 7”，名称为“一种高压气体压力截止阀”的中国实用新型专利，均只能手动 控制，且在高压同时低温的环境下无法使用，无法满足箭体冷氦增压对地面一箭体氦气增 压隔断阀的要求。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种适应箭体冷氦增压对地面一箭体氦 气增压隔断阀的要求，可在常温、低温条件下实现手动、气动控制，且密封性好、使用寿命长 的高压低温气体截止阀。为了实现上述目的，本实用新型提供了一种高压低温气体截止阀，包括阀体、与所 述阀体适配的阀门、密封装置及控制装置，所述密封装置设置在所述阀体与所述控制装置 之间，其中，所述控制装置包括手动控制机构与气动控制机构，所述气动控制机构与所述阀 体的上端连接，所述阀门与所述气动控制机构连接，所述手动控制机构通过所述气动控制 机构与所述阀门连接，所述阀门分别通过所述手动控制机构或所述气动控制机构的控制位于导通位置或截止位置。上述的高压低温气体截止阀，其中，所述阀门包括活门和出气接头，所述阀体设置 有进气口和下端口，所述进气口位于所述阀体的下部旁侧，所述出气接头与所述下端口连 接，所述活门与所述气动控制机构连接，所述出气接头设置有出气孔，所述活门的下端设置 有与所述出气孔适配的锥面，所述锥面与所述出气孔的顶端组成主密封副。上述的高压低温气体截止阀，其中，所述主密封副为金属一金属锥面硬密封结构， 所述活门为硬质合金材料件，所述出气接头为铝青铜件。上述的高压低温气体截止阀，其中，所述出气接头的顶端与所述阀体的内壁配合 处设置有第一锥面，所述第一锥面与所述出气接头的圆周面之间通过一第二锥面过渡连接。上述的高压低温气体截止阀，其中，所述第一锥面与所述内壁的夹角为 60° 士0.5°，所述第二锥面与所述内壁的夹角为7. 5° 士0.2°。上述的高压低温气体截止阀，其中，所述活门的周向最大尺寸段的外缘周向均布 多个用于保证所述活门导向及平衡气动力的通孔。上述的高压低温气体截止阀，其中，所述气动控制机构包括阀杆、气缸、活塞，所述 活塞与所述阀杆的一端连接，所述阀杆穿设于所述阀体内，所述活门与所述阀杆的另一端 连接，所述气缸设置有气缸腔与用于连接所述手动控制机构的螺纹连接孔，所述活塞容置 于所述气缸腔内且将所述气缸腔分隔为关闭腔与打开腔，所述关闭腔与所述打开腔分别设 置有关闭腔气口与打开腔气口。上述的高压低温气体截止阀，其中，所述手动控制机构包括手柄和手动阀杆，所述 手动阀杆的顶端与所述手柄连接，所述手动阀杆通过所述螺纹连接孔与所述气缸连接，所 述手动阀杆的底端与所述活塞连接，所述活塞与所述手动阀杆连接处设置有用于所述手动 阀杆作空行程运动的活塞腔。上述的高压低温气体截止阀，其中，所述密封装置设置在所述阀杆与所述阀体之 间，所述密封装置包括上填料、中填料和下填料，所述上填料和所述中填料为黑四氟材料， 所述下填料为圆盘填料结构，所述圆盘填料结构的下端面设置为一环形槽，所述环形槽的 内壁周向均布多个豁口。上述的高压低温气体截止阀，其中，所述阀体的外圆柱表面上设置有翅片传热结 构，所述翅片传热结构包括多个互相平行的翅片，所述多个翅片之间的横截面为U形环形槽。本实用新型的技术效果在于本实用新型可在常温、低温条件下实现手动、气动控 制，性能良好，内、外漏漏率均在规定范围内，并且阀门的使用寿命长。较好地适应了箭体冷 氦增压对地面一箭体氦气增压隔断阀密封性能(内、外漏)、寿命、可靠性、耐冲击的苛刻要 求。
以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述，但不作为对本实用新型 的限定。
图1为本实用新型的结构示意4[0019]图2为本实用新型的阀体结构示意图；图3为本实用新型的出气接头锥面密封结构示意图；图4A为本实用新型的下填料结构示意图；图4B为图4A的立体结构示意图；图5A为本实用新型的活门结构示意图；图5B为图5A的俯视图。其中，附图标记1 阀体11 进气口12翅片传热结构121 翅片122 U形环形槽13 下端口14活门腔2 阀门21 活门211 通孔22 出气接头221 出气孔222 第一锥面223 第二锥面θ 1, θ 2 夹角3密封装置31 下填料311 环形槽312 豁口32 中填料33 上填料4控制装置41 手动控制机构411 手柄412 手动阀杆42气动控制机构421 阀杆
0053]422 气紅4221 气缸腔42211 关闭腔42212 打开腔42213 关闭腔气口[0058]42214 打开腔气口4222 螺纹连接孔423 活塞4231 活塞腔4232,4233 0 形圈
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的结构原理和工作原理作具体的描述参见图1，图1为本实用新型的结构示意图。本实用新型的高压低温气体截止阀， 包括阀体1、与所述阀体1适配的阀门2、密封装置3及控制装置4，所述密封装置3设置在 所述阀体1与所述控制装置4之间，所述控制装置4包括手动控制机构41与气动控制机构 42，所述气动控制机构42与所述阀体1的上端连接，所述阀门2与所述气动控制机构42连 接，所述手动控制机构41通过所述气动控制机构42与所述阀门2连接，所述阀门2分别通 过所述手动控制机构41或所述气动控制机构42的控制位于导通位置或截止位置。所述气动控制机构42包括阀杆421、气缸422、活塞423，所述活塞423与所述阀杆 421的一端连接，所述阀杆421穿设于所述阀体1内，所述活门21与所述阀杆421的另一 端连接，所述气缸422设置有气缸腔4221与用于连接所述手动控制机构41的螺纹连接孔 4222，所述活塞423容置于所述气缸腔4221内且将所述气缸腔4221分隔为关闭腔42211 与打开腔42212，所述关闭腔42211与所述打开腔42212分别设置有关闭腔气口 42213与打 开腔气口 42214。气体从A 口流入，B 口流出。气缸422内部空间被活塞423和0形圈4232 分为两部分，靠近阀杆421侧为气缸422的打开腔42212，另外一侧为关闭腔42211。所述手动控制机构41包括手柄411和手动阀杆412，所述手动阀杆412的顶端与 所述手柄411连接，所述手动阀杆412通过所述螺纹连接孔4222与所述气缸422连接，所 述手动阀杆412的底端与所述活塞423连接，所述活塞423与所述手动阀杆412连接处设 置有用于所述手动阀杆412作空行程运动的活塞腔4231。参见图2，图2为本实用新型的阀体结构示意图。所述阀门2包括活门21和出气 接头22，所述阀体1设置有进气口 11和下端口 13，下端口 13上方设置活门腔14，进气口 11 与该活门腔14连通，活门21可在该活门腔14内沿轴线上下移动，完成截止阀的导通或截 止，所述进气口 11位于所述阀体1的下部旁侧，所述出气接头22与所述下端口 13连接，所 述活门21与所述气动控制机构42连接，所述出气接头22设置有出气孔221，所述活门21 的下端设置有与所述出气孔221适配的锥面，所述锥面与所述出气孔221的顶端组成主密 封副。所述主密封副为金属一金属锥面硬密封结构。所述活门21为硬质合金材料件，所述 出气接头22为铝青铜件。由于截止阀工作介质为渗透性强、易泄漏的高压氦气，而且对内 漏性能、可靠性、寿命、耐冲击能力要求都比较高，主密封副采用了金属-金属锥面硬密封。 活门21与出气接头22组成密封副。相对于出气接头22，活门21的维修、更换比较麻烦，因 此，本实用新型中，活门材料选用硬度较高的硬质合金，出气接头22采用了铝青铜。所述阀体1的外圆柱表面上设置有翅片传热结构12，所述翅片传热结构12包括多 个互相平行的翅片121，所述多个翅片121之间的横截面为U形环形槽122。阀门2工作介 质为高压低温(液氮级温度)气体，而气缸活塞机构的非金属0形圈4232、4233等不能在
6液氮级温度下工作，另外阀杆421密封使用的非金属填料也需要比较高的温度保证其工作 性能和寿命，因此采用翅片强化传热结构，改善阀体1与空气的自然对流换热，提高了填料 密封处、气缸活塞机构处的温度。翅片为环形，共11个，翅片之间为横截面为U形的U形环 形槽122。参见图3，图3为本实用新型的出气接头锥面密封结构示意图。为减小甚至避免 飞边现象，同时提高其使用寿命，改善维修性，出气接头22采用图3所示的结构。所述出 气接头22的顶端与所述阀体1的内壁配合处设置有第一锥面222，所述第一锥面222与 所述出气接头22的圆周面之间通过一第二锥面过渡连接，本实施例中，所述第一锥面222 与所述内壁的夹角θ 1优选为60° 士0.5°，所述第二锥面与所述内壁的夹角θ 2优选为 7.5° 士0.2°。参见图4Α及图4Β，图4Α为本实用新型的下填料结构示意图，图4Β为图4Α的立体 结构示意图。所述密封装置3包括上填料33、中填料32和下填料31，所述上填料33和所述 中填料32为黑四氟材料，所述下填料31为圆盘填料结构，所述圆盘填料结构的下端面设置 为一环形槽311，所述环形槽311的内壁周向均布多个豁口 312。为保证填料密封性能，提 高填料密封寿命，截止阀填料密封进行了特殊设计a.上填料33和中填料32采用冷流小、 低温性能好、自润滑性好的复合材料黑四氟(即聚四氟乙烯加入20%的柔性石墨)；b.下 填料31采用带小孔结构，材料为黄铜H62，结构如图图4A及图4B所示，本实施例中，在填 料下端面加工一环形槽311，环形槽311内壁周向均布4个小豁，这样高压介质气体沿阀杆 421通过小豁进入环形槽311，作用于环形槽311底面，当非金属填料由于温度产生冷流现 象时，介质气体作用于环形槽311底面的气动力，推动填料向气缸422侧运动，这样便可以 部分克服由于冷流引起的填料密封下降，从而改善阀门2性能。尽管采用上述的特殊设计， 阀门2的填料密封的可靠性还不够高，为保证箭体的冷氦增压的正常工作，采用图1所示的 侧进下出结构后，阀门2关闭时，即使填料密封有少量泄漏，不会影响箭体的冷氦增压。参见图5A与图5B，图5A为本实用新型的活门结构示意图，图5B为图5A的俯视 图。所述活门21的周向最大尺寸段的外缘周向均布多个用于保证所述活门21导向及平衡 气动力的通孔211。活门21小孔结构如图5A与图5B，本实施例中，活门21周向最大尺寸 段外缘周向均布4个R0. 5的通孔211，保证活门21导向的同时，平衡了气动力。高压低温气体截止阀气动时，通过给打开腔42212供气，同时给关闭腔42211放 气，利用控制气作用在活塞423上的气动力使阀杆421带动活门21沿其轴线向气缸422侧 运动，实现阀门2的打开。或者通过给关闭腔42211供气，同时给打开腔42212放气，利用控 制气作用在活塞423上的气动力使阀杆421带动活门21沿其轴线向出气接头22侧运动， 实现阀门2的关闭。截止阀手动时，通过手柄411转动手动阀杆412，手动阀杆412在其与气缸422组 成的螺纹副的作用下，走完空行程后，带动活塞423、阀杆421、活门21沿阀杆421轴线作靠 近或远离气缸422方向的运动，实现阀门2打开或关闭。为适应截止阀箭体对截止阀提出的性能要求，本实用新型在结构上具有以下特点。a.阀体1采用翅片强化传热结构；b.阀门2主密封副采用金属_金属锥面硬密封；[0077]c.阀杆421密封采用介质自紧填料密封；d.活门21采用小孔引压导向结构；e.截止阀采用侧进下出形式。通过上述几点设计，经初步试验证明截止阀密封性能良好，进口为23MPa低温氦 气时，出口漏率小于1泡/min，堵住出口，主密封位于液氮级温度下数小时后，阀门2外漏漏 率小于2 X IO-4NmVs (估算系统容积、观察3min压力表下降值，而者相乘为外漏量，用时间 除得到外漏漏率)，阀门寿命大于2000次。当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的 情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些 相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。
权利要求一种高压低温气体截止阀，包括阀体、与所述阀体适配的阀门、密封装置及控制装置，所述密封装置设置在所述阀体与所述控制装置之间，其特征在于，所述控制装置包括手动控制机构与气动控制机构，所述气动控制机构与所述阀体的上端连接，所述阀门与所述气动控制机构连接，所述手动控制机构通过所述气动控制机构与所述阀门连接，所述阀门分别通过所述手动控制机构或所述气动控制机构的控制位于导通位置或截止位置。
2.如权利要求1所述的高压低温气体截止阀，其特征在于，所述阀门包括活门和出气 接头，所述阀体设置有进气口和下端口，所述进气口位于所述阀体的下部旁侧，所述出气接 头与所述下端口连接，所述活门与所述气动控制机构连接，所述出气接头设置有出气孔，所 述活门的下端设置有与所述出气孔适配的锥面，所述锥面与所述出气孔的顶端组成主密封 副。
3.如权利要求2所述的高压低温气体截止阀，其特征在于，所述主密封副为金属一金 属锥面硬密封结构，所述活门为硬质合金材料件，所述出气接头为铝青铜件。
4.如权利要求2或3所述的高压低温气体截止阀，其特征在于，所述出气接头的顶端与 所述阀体的内壁配合处设置有第一锥面，所述第一锥面与所述出气接头的圆周面之间通过 一第二锥面过渡连接。
5.如权利要求4所述的高压低温气体截止阀，其特征在于，所述第一锥面与所述内壁 的夹角为60° 士0.5°，所述第二锥面与所述内壁的夹角为7. 5° 士0.2°。
6.如权利要求2或3所述的高压低温气体截止阀，其特征在于，所述活门的周向最大尺 寸段的外缘周向均布多个用于保证所述活门导向及平衡气动力的通孔。
7.如权利要求2或3所述的高压低温气体截止阀，其特征在于，所述气动控制机构包括 阀杆、气缸、活塞，所述活塞与所述阀杆的一端连接，所述阀杆穿设于所述阀体内，所述活门 与所述阀杆的另一端连接，所述气缸设置有气缸腔与用于连接所述手动控制机构的螺纹连 接孔，所述活塞容置于所述气缸腔内且将所述气缸腔分隔为关闭腔与打开腔，所述关闭腔 与所述打开腔分别设置有关闭腔气口与打开腔气口。
8.如权利要求7所述的高压低温气体截止阀，其特征在于，所述手动控制机构包括手 柄和手动阀杆，所述手动阀杆的顶端与所述手柄连接，所述手动阀杆通过所述螺纹连接孔 与所述气缸连接，所述手动阀杆的底端与所述活塞连接，所述活塞与所述手动阀杆连接处 设置有用于所述手动阀杆作空行程运动的活塞腔。
9.如权利要求7所述的高压低温气体截止阀，其特征在于，所述密封装置设置在所述 阀杆与所述阀体之间，所述密封装置包括上填料、中填料和下填料，所述上填料和所述中填 料为黑四氟材料，所述下填料为圆盘填料结构，所述圆盘填料结构的下端面设置为一环形 槽，所述环形槽的内壁周向均布多个豁口。
10.如权利要求1、2、3、5、8或9所述的高压低温气体截止阀，其特征在于，所述阀体的 外圆柱表面上设置有翅片传热结构，所述翅片传热结构包括多个互相平行的翅片，所述多 个翅片之间的横截面为U形环形槽。
专利摘要一种高压低温气体截止阀，包括阀体、与所述阀体适配的阀门、密封装置及控制装置，所述密封装置设置在所述阀体与所述控制装置之间，所述控制装置包括手动控制机构与气动控制机构，所述气动控制机构与所述阀体的上端连接，所述阀门与所述气动控制机构连接，所述手动控制机构通过所述气动控制机构与所述阀门连接，所述阀门分别通过所述手动控制机构或所述气动控制机构的控制位于导通位置或截止位置。本实用新型可适应箭体冷氦增压对地面—箭体氦气增压隔断阀的要求，在常温、低温条件下实现手动、气动控制，且密封性好、使用寿命长。
文档编号F16K31/60GK201731153SQ20102025166
公开日2011年2月2日 申请日期2010年6月28日 优先权日2010年6月28日
发明者刘忠明, 张燕, 戴维奇, 王鹏飞, 黄福友 申请人:北京航天发射技术研究所